基于直驅(qū)型PMSG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的變槳自抗擾控制

摘要：為了實(shí)現(xiàn)大功率風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的恒功率控制，首先建立了基于直驅(qū)型PMSG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；其次，以功率偏差為控制器的輸入信號(hào)，設(shè)計(jì)了一種基于自抗擾算法的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)變槳距控制器。最后，在陣風(fēng)疊加隨機(jī)風(fēng)的作用下進(jìn)行仿真研究。仿真結(jié)果表明，該控制器能夠有效地控制槳距角，可以實(shí)現(xiàn)額定風(fēng)速以上時(shí)系統(tǒng)輸出功率的恒定。
關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)；恒功率；自抗擾；變槳距控制器

0 引言
風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國(guó)的重視，風(fēng)力發(fā)電是風(fēng)能最常見的利用形式。永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)不需要?jiǎng)?lì)磁裝置，具有重量輕，效率高，可靠性好的優(yōu)點(diǎn)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由最初的定槳距型發(fā)展到變槳距型，從轉(zhuǎn)速固定的變槳距型發(fā)展到目前技術(shù)最為先進(jìn)的變速變槳距型，發(fā)電效率在顯著提高。特別是變速變槳距機(jī)組，其發(fā)電機(jī)中采用的變速恒頻技術(shù)提高了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在低風(fēng)速情況下的出力水平。采用永磁式發(fā)電機(jī)的直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，無需外部提供勵(lì)磁電源，把永磁發(fā)電機(jī)變頻的交流電通過變頻器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娋W(wǎng)同頻的交流電，做到風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)的直接耦合，省去齒輪箱，大大減小了系統(tǒng)的運(yùn)行噪聲，提高了可靠性，降低了系統(tǒng)成本，成為當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電的研究熱點(diǎn)。直驅(qū)型PMSG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵在于額定風(fēng)速時(shí)的變槳距控制。變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的槳距參考值可由風(fēng)速、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)輸出功率3個(gè)參數(shù)來獨(dú)立控制。文獻(xiàn)提出一種由槳距角大小來調(diào)節(jié)控制器增益的控制策略，即在原有PI控制系統(tǒng)中加入一個(gè)增益調(diào)整控制器。由于PI控制器缺少微分調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能受到一定影響。文獻(xiàn)設(shè)計(jì)了模糊PID控制器對(duì)槳距角進(jìn)行控制。輸入信號(hào)的誤差為e和誤差變化率為ec，運(yùn)用模糊推理，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的最佳調(diào)整，以滿足不同時(shí)刻的e和ec對(duì)PID參數(shù)的自整定要求，從而得到槳距角變化目標(biāo)的最佳調(diào)整。模糊PID控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心為模糊控制規(guī)則設(shè)計(jì)，根據(jù)工程人員的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)知識(shí)得到。本文設(shè)計(jì)了一種基于自抗擾控制算法的控制器，該控制器的參數(shù)調(diào)整可不依賴于實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，并能獲得更好的控制效果。仿真結(jié)果驗(yàn)證了控制方法的有效性。

1 直驅(qū)型PMSG風(fēng)力發(fā)電機(jī)組建模
1．1 風(fēng)輪機(jī)模型
根據(jù)貝茲理論，風(fēng)輪機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械功率為：

式中：ρ為空氣密度；Rt為風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪半徑；v為風(fēng)速；Cp(λ，β)為風(fēng)能轉(zhuǎn)換系數(shù)，是葉尖速比λ和槳葉節(jié)距角β的函數(shù)；葉尖速比λ為風(fēng)輪葉尖線速度與風(fēng)速之比，即；Ω1為風(fēng)輪的機(jī)械角速度。
風(fēng)輪機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)力矩：

式中：CΓ(λ，β)為轉(zhuǎn)矩系數(shù)，CΓ(λ，β)=Cp(λ，β)／λ。
在額定風(fēng)速以下時(shí)，槳距角β為常值0。在額定風(fēng)速以上，風(fēng)能轉(zhuǎn)換系數(shù)滿足以下函數(shù)關(guān)系：

1．2 PMSG模型
在分析永磁同步電機(jī)的基本電磁關(guān)系時(shí)，假定永磁同步電機(jī)為理想電機(jī)，即滿足：
(1)忽略鐵心磁飽和的影響，不計(jì)渦流及磁滯損耗；
(2)永磁材料的電導(dǎo)率為零；
(3)轉(zhuǎn)子上沒有阻尼繞組；
(4)定子三相對(duì)稱，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為正弦。
此時(shí)經(jīng)過帕克變換后，在d-q軸坐標(biāo)系下，PMSG的數(shù)學(xué)模型如下：

式中：R為定子電阻；ud(t)，uq(t)為d軸和q軸的定子電壓；Ld，Lq為d軸和q軸的定子電感；φm為永磁體產(chǎn)生的磁通；轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的電角速度ωs(t)=p×Ωh(t)，d-q軸坐標(biāo)系以電角速度ωs(t)隨轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)。
PMSG的電磁轉(zhuǎn)矩為：